新疆富蘊盆地南明水組暗色泥巖沉積環境演化及其頁巖氣地質特征

熊小輝，王　劍，熊國慶，余　謙，陸俊澤，周繼兵，白洪海，鄧　奇

(1．成都地質調查中心，四川成都　610083;2．國土資源部沉積盆地與油氣資源重點實驗室，四川成都　610083;3．新疆地礦局第9地質大隊，新疆烏魯木齊　830009)

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新疆富蘊盆地南明水組暗色泥巖沉積環境演化及其頁巖氣地質特征

熊小輝1，2，王劍1，2，熊國慶1，2，余謙1，2，陸俊澤1，2，周繼兵3，白洪海3，鄧奇1，2

(1．成都地質調查中心，四川成都610083;2．國土資源部沉積盆地與油氣資源重點實驗室，四川成都610083;3．新疆地礦局第9地質大隊，新疆烏魯木齊830009)

摘要:為了查明新疆北部富蘊盆地薩爾布拉克地區南明水組多套暗色泥頁巖沉積環境演化、頁巖氣資源前景及兩者內在的制約關系，進行了有機、無機地球化學及礦物學等分析，表明南明水組暗色泥巖沉積水體早期可能受大型河流影響明顯淡化，后期開放性降低，鹽度逐漸升高和恢復。暗色泥巖沉積時期氣候總體溫暖潮濕，中晚期溫度稍有上升，較早期相對干旱，水體深度自下而上呈現由深變淺再變深的趨勢，總體還原，向上還原性減弱。第2亞組生物生產率及總有機碳含量(介于0.42%～1.11%)均最高，有機質類型基本以Ⅲ型干酪根為主，含少量II2型干酪根，成熟度達到高—過成熟階段。礦物成分以黏土礦物和石英為主，尤其是第2亞組(黏土礦物:32%～49%;石英:33% ～41%;伊利石占黏土總量:61%～77%)，具備頁巖氣發育條件。對比分析顯示，海陸交互區半咸水偏咸水的鹽度條件、缺乏大型入海河流的干擾、穩定的沉積環境等更有利于產氣頁巖的發育。

關鍵詞:頁巖氣;沉積環境;地球化學;南明水組;富蘊盆地

熊小輝，王劍，熊國慶，等．新疆富蘊盆地南明水組暗色泥巖沉積環境演化及其頁巖氣地質特征［J］．煤炭學報，2016，41 (6):1476－1486．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1146

Xiong Xiaohui，Wang Jian，Xiong Guoqing，et al．Sedimentary environment evolution and shale gas geological features of dark mudstone from Nanmingshui Fm of Fuyun Basin，Xinjiang［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1476－1486．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1146

頁巖氣，作為一種非傳統型能源，是指賦存于富有機質頁巖及其夾層狀的泥質粉砂巖中，主體上是自生自儲成藏的連續性氣藏［1－2］。其規模及優劣主要受頁巖沉積環境的控制，如泥頁巖厚度、分布面積、有機碳含量以及沉積巖石類型和礦物組成等［3］。頁巖氣產出環境常見于深海陸棚相黑色泥頁巖中，在美國已具有相當規模［4－8］，以及國內揚子盆地的早寒武世、晚奧陶—早志留世地層［9－11］。陸相湖盆環境黑色泥頁巖中的頁巖氣開采和研究在中國也開始取得一定的進展［12－15］。目前，人們將目光更多地投向淺海陸架沉積的海陸交互相碎屑巖、碳酸鹽巖型頁巖氣［16］，如Eagleford頁巖及中國新疆北部石炭系暗色泥頁巖。

位于中國西部準噶爾盆地北緣的富蘊盆地，早石炭世南明水組發育至少3套濱淺海相暗色泥巖，前人對其研究較為有限，只做了沉積相及常規油氣烴源巖的調查研究［17－18］，而對其頁巖氣地質特征方面的研究工作幾乎沒有，筆者依托新疆北部中小型盆地頁巖氣地質調查項目，通過分析富蘊盆地南明水組第1，2，3亞組中的暗色泥巖沉積環境及演化，探討了其對頁巖氣發育的控制作用，以期為后期新疆北部石炭系頁巖氣勘探、開發及相關理論完善提供指導。

1　區域地質概況

富蘊盆地形成于準噶爾板塊與西伯利亞板的俯沖碰撞，對于盆地性質的認識爭議較大［19－22］，目前趨向于認為是溝－?。柘到y中的前淵沉積［22］。構造區劃屬于天山－興蒙造山系阿爾泰弧盆區阿爾泰南緣增生弧。

盆地地層主要出露于富蘊縣西南薩爾布拉克地區，屬于東準噶爾地層分區2臺地層小區，包括泥盆系、石炭系和第4系，以及少量二疊紀(圖1)，按時代由老到新分別為北塔山組(D2b)、蘊都喀拉組(D2y)、黑山頭組(C1h)、南明水組(C1n)、喀拉額爾齊斯組(C3k)、特斯把汗組(P1t)、庫爾提組(P2k)及第4 系(Q)。由于受晚古生代華力西期構造運動影響，區內地層呈現北西—南東向展布，地層走向為NW向，產狀近直立，傾向NE。沿走向方向近NW向、NNW向和NWW向3組壓性、壓扭性斷層發育，下石炭統在南東方向逐漸尖滅。

圖1　新疆富蘊縣薩爾布拉克地區及周邊地質簡圖(據文獻［18，23－24］修改)Fig.1　Simplified geological map of Sarbulak Region，Fuyun County，Xinjiang(modified after［18，23－24］)

富蘊盆地暗色泥巖主要發育于早石炭世南明水組，根據其沉積序列特征，自下而上可劃分為3個亞組，即第1亞組、第2亞組和第3亞組(圖2)。

2　樣品采集與測試

研究剖面位于富蘊縣西南薩爾布拉克地區(圖1)，對南明水組出露最厚位置進行了詳細地層實測，并對其3個亞組暗色泥巖分別進行連續采樣(圖2)。為了采集較為新鮮的樣品，其中第1亞組和第2亞組(下段)通過探槽取樣，第2亞組(上段)及第3亞組受野外地形條件制約，采用簡單露頭揭露取樣。位于第1亞組中的1號探槽(TC01)全長200 m，為連續沉積的暗灰色、灰綠色粉砂質泥巖，采集樣品共64 件;2號探槽全長300 m，位于第2亞組下段，采集灰黑色粉砂質泥巖樣品共49件，第2亞組上段露頭區采集樣品5件，為灰黑色粉砂質泥巖;南明水組第3亞組只采集2件暗色粉砂質泥巖樣品。

選取代表性樣品，進行元素地球化學及相關有機地球化學分析測試，樣品所有測試均在新疆礦產實驗研究所國土資源部烏魯木齊礦產資源監督檢測中心完成，其中主量元素測試儀器為X－熒光光譜儀，分析誤差小于1%。微量元素測試采用電感耦合等離子體光譜儀，分析精度優于5%。礦物含量使用X衍射分析測定，其他有機項目均采樣常規方法測定。

3　結　　果

3.1有機地球化學特征

在整個實測剖面上，南明水組暗色泥巖總有機碳含量(TOC含量)呈現明顯的變化(圖3)，自下而上，先增加后減小，第2亞組最大，且不穩定，呈現局部高值，總體上第2亞組上段平均總有機碳含量最高(0.82%)。其中第1亞組總有機碳含量介于0.22%～0.48%，平均0.31%，第2亞組下段總有機碳含量介于0.42%～1.11%，平均0.62%，上段介于0.62%～0.92%，平均0.82%，南明水組第3亞組兩個樣品總有機碳含量均為0.41%。

圖3　南明水組暗色泥巖TOC含量變化趨勢Fig.3　Depth profile of TOC content values from dark mudstone of Nanmingshui Fm

對部分樣品進行鏡下顯微組分分析表明，有機質顯微組分以惰質組、殼質組中的非樹脂體以及鏡質組為主(表1)。巖石熱解分析顯示最大熱解峰溫(Tmax)普遍較高，最高甚至達到535℃，個別較低，通過計算出來的氫指數(HI)最高僅為8.34 mg/g。對少量樣品的干酪根碳、氫、氧等元素進行了測定，以用來配合判定其有機質類型。此外，頁巖的比表面積縱向上也存在一定的變化，是影響頁巖氣儲存的一個因素。

表1　南明水組泥巖有機干酪根顯微組分、熱解參數、干酪根元素比、鏡質體反射率及樣品比表面積Table 1　Kerogen maceral，pyrolysis parameters，element(C，H，O)ratios，vitrinite reflectance and specific surface area of silty mudstone from Nanmingshui Fm

3.2元素地球化學特征

代表性樣品主量及微量元素地球化學數據分別見表2。

主量元素中SiO2含量占比最大，為56.91% ～64.7%，在整個剖面自下而上呈現不明顯的先增大后減小趨勢。其次為Al2O3，含量為13.73%～18.13%，縱向上總體變化趨勢基本與前者相反。TFe2O3含量在剖面上也相對較高，為6.56%～8.03%。堿金屬元素Ca，Mg，K和Na含量相差不大，第1亞組Na2O，CaO含量相對較高，第2亞組下段K2O的含量有所上升;剖面上部K，Mg和Na含量較平均，CaO含量相對最低。其他主量元素組分含量均小于1%。

微量元素方面，相對于上地殼平均值，整個剖面上Cu，U，V，Ga，Zn，Li有一定程度的富集。而Ni，Cr在第1亞組表現虧損，向上相對上地殼平均值逐漸富集，Sr正好相反，剖面下部富集上部虧損;Ba與上地殼平均值接近，且在整個剖面變化不大，第1亞組相對第2，3亞組略富集。其他元素如Rb，Zr，Hf，Nb，Ta，Th，Pb和Be等相對上地殼平均值均表現出虧損的特征。

3.3礦物特征

樣品的礦物學分析表明(表3)，主要礦物組成包括黏土礦物、石英和斜長石，此外還有少量鉀長石、鐵白云石等。黏土礦物含量介于31% ～49%，平均38.1%，主要為伊利石、綠泥石和高嶺石及少量伊蒙間層和綠蒙間層礦物。石英含量介于27%～41%，平均35.2%。斜長石含量介于11%～30%，平均22.3%。礦物組成大體與主量元素測試結果吻合。

有機地球化學、元素地球化學及礦物特征顯示，相對第1亞組、第3亞組，南明水組第2亞組具有更高的總有機碳(TOC)含量，有機質成熟度普遍較高，最大熱解峰溫(Tmax)大多達到530℃，第2亞組暗色泥巖樣品比表面積(11.76～19.80 m2/g)也明顯較第1亞組大;元素組成上，SiO2含量在第2亞組有所增加，Al2O3含量有所減少，礦物組成上，代表脆性組分的石英含量在第2亞組具有更為明顯的優勢。

表2　南明水組全巖樣品主量元素、微量元素(μg/g)含量及比值Table 2　Major elements，trace elements(μg/g)contents and their ratios of whole-rock samples from Nanmingshui Fm

表3　南明水組泥巖樣品礦物組成Table 3　Mineral composition of mudstone from Nanmingshui Fm%

4　討　　論

4.1巖相特征

南明水組第1亞組巖性主要為一套灰綠色、黃綠色含礫凝灰質粗砂巖、凝灰質細砂巖、變質細粒長石砂巖與灰黑色粉砂質泥巖組成多個韻律層，夾石英砂巖透鏡體及生物碎屑灰巖透鏡體，生物碎屑主要以海百合莖為主。第1亞組以夾多套水下河道相圓礫巖透鏡體與南明水組第2亞組相區別，厚約2 190 m;該亞組目的層段為第36層暗灰色、灰綠色粉砂質泥巖，連續沉積，厚度巨大(約220 m)，局部風化嚴重呈片狀(圖4(a)，(b))，缺乏典型沉積結構構造，水體較深，為一套淺海相沉積(圖2)。

南明水組第2亞組巖性主要為黃綠色含泥礫變質細粒長石砂巖與灰黑色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖組成多個韻律層，厚約1 944 m;該亞組下部目的層段為第60～61層，表現出灰綠色細粒巖屑砂巖與灰黑色粉砂質泥巖組成的韻律互層，發育砂紋層理及泥礫(圖4(c)，(d))，偶見植物碎片印模(圖4(e))，粉砂質泥巖厚度不等，薄層2～3 m，寬者10～15 m，砂巖與泥巖2者之比為2∶1～3∶1，為具有一定強度水動力條件沉積環境，受到更多來自陸源物質的供給，呈現脈沖韻律式砂體供應，為一種濱海—淺海交互式沉積;該亞組上部目的層段為70～71層，灰黑色厚層－塊狀粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，夾多套厚度30～50 cm黃灰色變質巖屑砂巖層，粉砂質泥巖風化破碎呈長條狀(圖4(h))，為一套淺海相沉積(圖2)。

圖4　南明水組暗色泥巖巖石特征Fig.4　Characteristics of dark mudstone from Nanmingshui Fm

南明水組第3亞組巖性主要為黃灰色厚層－塊狀中—細粒長石砂巖夾灰綠色、黃色、灰黑色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖，頂部以硅質砂巖、含礫巖屑、晶屑凝灰巖透鏡體與北塔山組斷層接觸，厚度約483 m;該亞組目的層段為第80層，垂向序列中，自下而上砂巖、粉砂巖與粉砂質泥巖組成一套由粗變細的沉積序列，3者之比為1∶1∶(3～5)，泥巖中見植物印模和蟲跡(圖4(f)，(g))，可能為爬行跡，沉積結構構造不發育，巖石風化之后呈薄片狀、碎片狀，可能為近濱帶下部沉積(圖2)。

總體上，第2亞組暗色粉砂質泥巖顏色相對更深，與殘留總有機碳含量相符，但是單層連續厚度較上、下亞組小，與砂巖韻律頻繁。

4.2沉積環境演化分析

富蘊盆地早石炭世南明水組主要為一套扇三角洲、濱、淺海相陸源碎屑巖、火山碎屑巖及碳酸鹽巖沉積建造，產豐富的珊瑚、菊石、腕足、瓣鰓、苔蘚蟲、植物等化石［18，23－24］。通過詳細的剖面實測，表明南明水組暗色泥巖總體呈現出與砂巖、粉砂巖的韻律互層，尤其是在南明水組第2亞組和第3亞組，可見沉積水體深度的頻繁變化。

水體鹽度與水體開放性。盡管為海相，元素分析卻表明南明水組受陸源影響明顯。Sr，Ga，V，B含量及相關元素的比值在淺海和陸相沉積物中具有一定的差異，Chen等［25］總結認為淺海相沉積物具有Sr質量含量＞160 μg/g，w(Sr)/w(Ba)＞0.35，Ga質量含量＜15 μg/g，V質量含量＜86 μg/g及w(B)/w(Ga)＞4.2等特征，而陸相沉積物常常 Sr質量含量＜90 μg/g，w(Sr)/w(Ba)＜0.2，Ga質量含量為18～23 μg/g，V質量含量為110～113 μg/g及 w(B)/ w(Ga)＜3.3。南明水組泥巖樣品Sr質量含量介于192.67～639.86 μg/g，w(Sr)/w(Ba)介于0.39～1.95，具有典型淺海相特征，而Ga含量介于19.97～23 μg/g，V質量含量介于135.5～205.9 μg/g，均分布于陸相沉積區，w(B)/w(Ga)比值僅第2亞組上段2個樣品值大于4.2，其余均小于3.3。第1亞組中Sr的高值可能與該亞組發育多套生物碎屑泥晶灰巖有關。與古鹽度密切相關的B元素含量及B/Ga比值顯示自剖面下部的第1亞組向上具有先升高最后降低的趨勢(圖5)。水體鹽度越高，鉀和鈉就越易被黏土吸附或進入伊利石晶格，且鉀相對鈉的吸附量亦越大［26］。因此，w(K)/w(Na)值越大，介質鹽度越高，整個剖面上 K2O/Na2O比值具有和 B，w(B)/ w(Ga)相似的變化趨勢，顯示第2亞組的鹽度最高，其次為第3亞組，第1亞組沉積時期水體鹽度最低。南明水組早期可能水體較為開放，多套的河道圓礫巖指示了大量且大型入海河流的存在［24］，從而導致海水鹽度的急劇降低，而晚期則陸源河流減少，水體相對封閉，此外，可能還與氣候因素等有關，后期海水鹽度逐漸得到恢復和升高。

圖5　南明水組暗色泥巖w(B)，w(B)/w(Ga)，w(K)/w(Na)等變化趨勢Fig.5　Changing trend of w(B)，w(B)/w(Ga)，w(K)/w(Na) etc.values from Nanmingshui Fm mudstone

氧化還原條件。水體的氧化還原狀況對有機質的保存至關重要，常見的氧化還原敏感元素如U，Th，V，Ni，Co等及其比值可以很好的保留和還原水體沉積時期的氧化還原條件［27］。U在氧化條件下較不穩定，主要以U6+形式溶解于水體中，還原條件下，U 由+6價降為穩定的+4價，并以絡合物的形式沉淀、富集于沉積物中，有機質對U有較好的吸附富集作用;而Th的活動性恰恰相反，趨向穩定存在并富集于更加氧化的環境下［28］，因此，沉積物w(U)/w(Th)比值越高，反映沉積環境越還原。研究表明，正常海相沉積中U/Th比值一般大于0.2［29］，南明水組暗色泥巖該值介于0.36～2.47，平均1.14，指示還原環境。Wingnall［30］基于U，Th的氧化還原特性及U－Th/3代表自生鈾的相對含量，提出δU=2U/(U+Th/3)，并認為δU＞1，代表缺氧環境;δU＜1，代表正常海水環境。剖面樣品δU值較高，介于1.04～1.76，平均1.47，顯示缺氧環境。此外，樣品 w(V)/w(V+Ni)比值(0.75～0.87，平均0.8)也表明了暗色泥巖沉積時期水體為一種缺氧還原的環境。以上與前人通過生物標志物飽和烴氣相色譜分析的結果一致，后者認為南明水組第2，3亞組的暗色泥巖沉積環境為強還原［18］。氧化還原指標不僅指示了還原環境，而且在整個剖面上的變化指示了缺氧還原的強度變化(圖5)。總體上，下部第1亞組還原性最強，向上還原性逐漸減弱，第3亞組最弱。

生物生產率。生物生產率是決定地層有機質含量的根本因素，在一定的保存條件下，生物生產率越高，地層總有機碳含量(TOC)越高［31］。微量元素Ni 和Cu與有機質關系密切，主要通過有機質輸送到沉積物中，當有機質降解時，Ni和Cu被釋放出來并在硫酸鹽還原環境下被黃鐵礦捕獲而固定在沉積物中，因此，沉積物中保存了Ni和Cu的初始含量，相比于其他在埋藏成巖作用過程中易活動性元素(如P，Ba，Zn及Cd等)，Ni和Cu為表征進入沉積物有機質含量的理想指標［27，32］。w(Ni)+w(Cu)含量自剖面第1亞組向上先增加后降低，在南明水組第2亞組中最高，其次第3亞組，而第1亞組平均含量最低(圖6)。P/Ti比值也具有表征有機生物生產率的作用，可能由于受風化作用的影響，南明水組樣品P/Ti比值甚至出現與總有機碳含量(TOC含量)呈弱的反相關性，盡管如此，各亞組幾個極大值也暗示中部的第2亞組生物生產率最高。

圖6　南明水組暗色泥巖TOC含量，w(Ni)+w(Cu)，w(P)/w(Ti)等變化趨勢Fig.6　Changing trend of TOC content，w(Ni)+w(Cu)，w(P)/ w(Ti)etc.values from Nanmingshui Fm mudstone

古水深。元素的聚集和分散與水體深度(離岸距離)有一定相關性，是元素在沉積作用過程中所發生的機械分異作用、化學分異作用、生物生理作用、生物化學作用的結果［33］。Strakhov等［34］研究表明，自海岸到深海，沉積物中依次富集Fe族(Fe，Cr，V，Ge)至水解性元素(Al，Ti，Zr，Ca，Nb，Ta)，之后是親硫性元素(Pb，Zn，Cu，As)帶，最后過渡為Mn族(Mn，Co，Ni，Mo)。因此，Fe/Mn比值自近陸端沉積物向深海方向逐漸減小。此外，Zr為典型親陸性元素，但在沉積物中受Al元素支配，通過Al的校正可指示沉積物離岸沉積的遠近，間接指示水深［35］。w(Fe)/ w(Mn)，w(Zr)/w(Al)均指示了南明水組暗色泥巖沉積水體由深變淺再變深的變化，并且各亞組內部水體可能也存在一定的波動，尤其是第2亞組(圖6)。

古氣候。南明水組第1亞組中多套生物碎屑泥晶灰巖的出現表明，早期氣候環境溫暖潮濕，對氣候較為敏感的Sr元素在第1亞組強烈富集，Al2O3/MgO比值也顯示早期氣候溫濕，水體淡化，剖面自下而上w(Mg)/w(Sr)，w(Mg)/w(Ca)比值先升后減指示第2亞組溫度有所上升，且相對較第1亞組干旱，第3亞組又有所恢復(圖6)。從w(Sr)/w(Cu)比值看，剖面樣品值基本小于10，氣候總體溫暖潮濕。

綜上分析，南明水組暗色泥巖沉積環境曾有過明顯的變化，早期受大陸河流淡水的影響，水體鹽度最低，深度較大，氣候溫暖潮濕，暗色泥巖沉積水體還原性較強，但是生物生產率低;中期相對封閉，大型河流減少，氣候相對早期潮濕度降低，溫度也更高，水體鹽度得到回復，水體變淺，還原性減弱，但是生物生產率較高;后期南明水組第3亞組鹽度最高，水深略有升高，但水體還原性最弱。

4.3頁巖氣地質特征

有機質豐度的測定表明(圖4)，南明水組第2亞組總有機碳含量(TOC含量)較上、下亞組高，該亞組下段TOC含量介于0.42%～1.11%，平均0.62%，上段介于0.62%～0.92%，平均0.82%，盡管通過探槽取樣，由于巖層較直立，風化深度較大，基本和地表露頭樣品有機碳含量相當。通過對塔城盆地、吉木乃盆地地表樣品總有機碳含量(TOC)與對應層位巖心樣品TOC含量的對比表明，巖心樣平均TOC含量至少為地表樣品的2倍甚至更高［36］，其他學者對羌塘盆地東部、重慶北培地區、柴達木盆地北緣等做過風化對比試驗，計算出風化校正系數也達到為1.99［18］。考慮到相對強烈的風化條件，而且張金川［1］也將TOC含量= 0.5%作為產氣頁巖的下限，因此，南明水組第2亞組兩段勉強滿足頁巖氣對有機碳豐度的要求。

有機質類型也是頁巖氣評價的一個重要因素，不同類型的干酪根具有不同的生烴門限，其對成熟度的要求各異。此外前人研究中也曾發現一些具有很高生排烴效益的烴源巖卻表現出更低的殘余有機碳特點［37］。因此，有機質類型在頁巖氣研究中意義重大?？赡苡捎趶娏绎L化的原因，熱解數據中游離烴和熱解烴的數值均很低(S1=0.006 1～0.058 3 mg/g，S2= 0.022 2～0.056 1 mg/g)，同時，H/C原子比也極低(0.028～0.038)，以致氫指數(HI)太低(僅2.70～8.34)而對有機質類型的指示不甚可靠(表1)，而較為直觀的干酪根鏡檢相對更為可靠。樣品鏡質體顯微組分分析表明，南明水組第2亞組上下兩段暗色泥巖干酪根主要以惰質組、殼質組中的非樹脂體及鏡質組為主(表1)，計算得出的干酪根類型(TI)指數均小于0，指示為Ⅲ型干酪根，此外，張家震等［18］曾在第2亞組中發現少量II2型干酪根，表明南明水組3個亞組暗色泥巖的有機質類型基本為Ⅲ型，以高等植物為主，僅第2亞組含少量II2型干酪根，來自浮游生物及細菌。

有機質的熱演化程度對于油氣資源的評價至關重要，對于以Ⅲ型干酪根為主的有機質其產氣所需的成熟度較Ⅰ型和Ⅱ型均較高。富蘊盆地南明水組受北部阿勒泰南緣增生弧推擠作用的影響，巖石表現出一定的弱變質特征，較有利于有機質的成熟及生烴。樣品最大熱解峰溫(Tmax)分布于349～535℃，大部分大于530℃。樣品干酪根鏡質體反射率(Ro)第1亞組為1.46%(樣品 TC01－S62)，第2亞組介于1.12%～1.42%(圖7)，而前人研究第2亞組Ro甚至達到1.52%～3.28%，第3亞組為2.13%［18］。因此，南明水組暗色泥巖有機質成熟度基本達到成熟—高成熟階段，甚至過成熟，有利于其Ⅲ型干酪根有機質的熱解生烴，頁巖氣前景較好。

圖7　南明水組第1，2亞組樣品鏡質體反射率的分布特征Fig.7　Distributing characteristics of vitrinite reflectance in the first and second member of Nanmingshui Fm

礦物組成的不同影響頁巖對氣體的吸附儲集能力。黏土礦物常常具有較高的微孔隙體積以及可觀的比表面積，吸附能力強，南明水組第2亞組較第1亞組更高的黏土含量使得前者具有更大的比表面積，而脆性礦物石英、碳酸鹽礦物等則有利于增強巖石脆性，使頁巖在外力下極易形成天然裂隙和滲導裂縫，有利于頁巖氣的儲集滲流。南明水組暗色泥巖與美國福特沃斯盆地Barnet頁巖時代同為早石炭世，且富蘊盆地同屬前陸型盆地，南明水組為其前淵沉積［21－22］。相同的構造背景及沉積時代，使得兩者更具有可對比性。Barnett頁巖黏土礦物含量介于35%～44%，石英含量介于35%～50%，其中黏土礦物主要為伊利石［38－39］。富蘊盆地南明水組第2亞組中黏土礦物介于32%～49%，其中也以伊利石為主，含量介于61% ～77%，脆性礦物石英含量介于33%～41%(表3)，與Barnett頁巖具有相似的礦物組成(圖8)，Schettler等(1990)認為頁巖中的吸附態甲烷主要分布在伊利石表面，可見南明水組第2亞組具有比較理想的礦物組成，利于氣體儲集吸附的黏土礦物含量和增強孔隙及壓裂性的脆性礦物含量具有較好的平衡。

圖8　南明水組暗色泥巖黏土礦物－石英+長石－碳酸鹽巖三角Fig.8　Total clay-Quartz+Feldspar-Total carbonate triangular diagram of mudstone from Nanmingshui Fm

綜上分析，南明水組各亞組具有差異明顯的暗色泥巖發育特征。南明水組第1亞組盡管暗色泥巖沉積時期水體較深，為淺海相，具有更高的水體還原性，但是較低的生物生產率決定了其總有機碳含量(TOC含量)太低，缺乏產頁巖氣的物質基礎;第3亞組暗色泥巖沉積時期水體還原性較弱，加之其生物生產率不高，總有機碳含量也較低，且巖層厚度不大，橫向連續性差，因此也不具有產頁巖氣前景;第2亞組盡管水體還原性較第1亞組弱，但其具有水體鹽度、水動力條件等優勢更有利于生物的存在，因此具有較高的生物生產率及總有機碳含量，其礦物組成上更高的脆性礦物石英、長石含量，以及泥巖與砂巖的交互沉積更有利于后期壓裂，同時，相對更大的巖石比表面積也表明該亞組具有非常合適的礦物含量比。此外，高的有機質成熟度、一定的干酪根類型、較大的累計厚度等進一步表明南明水組第2亞組具備頁巖氣發育條件。

5　沉積環境對頁巖氣地質條件的制約

富蘊盆地早石炭世南明水組總體沉積環境為扇三角洲、濱、淺海，靠近大陸，受陸源影響明顯，使得其中暗色泥巖有機質類型基本上以Ⅲ型干酪根為主，有大量來自陸源的植物碎片，前人在南明水組第2亞組中雖然也發現Ⅱ型干酪根，但數量很少［18］。對于頁巖氣來說，Ⅲ型干酪根并非理想的有機質類型，對北美頁巖氣幾個主要產氣盆地的研究發現產氣頁巖中Ⅱ型干酪根更為常見［38］，可能因為成熟度太高對Ⅰ型干酪根不利，而太低，又達不到Ⅲ型干酪根大量產生氣態烴的要求。而富蘊薩爾布拉克地區適當強度的構造作用對于南明水組暗色泥巖Ⅲ型干酪根的產氣比較有利。有機質豐度的影響因素較多［40］，南明水組中、晚期相對更高的鹽度(海陸交互相區半咸水偏咸水)以及閉塞的環境或許形成了更適合生物生活的環境，具有更高的生物生產率，是沉積有機質富集的一定積極因素;但是由于水體變淺，泥巖與砂巖頻繁互層，以及近陸源缺乏穩定的沉積環境，使得南明水組總體有機質豐度不高，而且頁巖單層連續厚度較薄。

沉積相不僅影響有機質類型和豐度，而且控制沉積巖石的類型及其中的礦物組成。近岸沉積環境大量接受陸源碎屑沉積，南明水組暗色泥巖隨著水體深度的變淺及相對的封閉性，第2亞組粉砂質泥巖黏土礦物(32%～49%)及石英含量(33%～41%)較第1亞組均要高，巖石物性更有利于頁巖氣的儲集和壓裂。此外，受海水鹽度及其他水體化學性質的影響，自下而上南明水組暗色泥巖沉積時水體更富K及更具堿性，尤其是第2亞組，而第1亞組更加富集Fe2+及Mg/K比更高，使得第1亞組大量發育綠泥石、綠蒙間層礦物，而第2亞組黏土礦物組成主要以伊利石和伊蒙混層為主，較第1亞組黏土組成更具孔隙空間的發育及氣體吸附能力，蒙脫石的缺乏及伊蒙、綠蒙混層的存在可能表明大量蒙脫石向伊利石或綠泥石發生了轉化，在此伊利石化中，伴隨體積的縮小，能夠產生更多的微裂縫(孔)。

6　結　　論

(1)南明水組暗色泥巖沉積水體自早期明顯淡化至第3亞組鹽度逐漸升高，水體由開闊變為相對封閉。總體還原，向上還原性減弱，生物生產率第2亞組最高，其次為第3亞組，第1亞組最低。氣候總體溫暖潮濕，中晚期溫度有所上升，也較早期相對干旱，暗色泥巖沉積水體深度總體呈現由深變淺再變深的趨勢。

(2)南明水組有機質類型基本以Ⅲ型干酪根為主，含少量II2型干酪根，其中第2亞組有機質豐度最高，達到0.42%～1.11%，風化校正后勉強可以達到頁巖氣總有機碳含量要求;有機質成熟度達到高－過成熟階段;礦物組成以黏土礦物和石英為主，黏土礦物介于32%～49%，其中以伊利石為主，含量介于61%～77%，脆性礦物石英含量介于33%～41%，具備頁巖氣發育條件。

(3)沉積環境控制了南明水組第2亞組相對上、下亞組更好的頁巖氣地質特征，表明海陸交互區半咸水偏咸水的鹽度條件、缺乏大型入海河流的干擾、穩定的沉積環境等更有利于富有機質泥頁巖的發育。

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中圖分類號:P618.13

文獻標志碼:A

文章編號:0253－9993(2016)06－1476－11

收稿日期:2015－08－04修回日期:2015－10－30責任編輯:韓晉平

基金項目:國家自然科學基金資助項目(華南新元古代"楔狀地層"沉積充填序列及大地構造研究)(41030315);新疆自治區地勘基金資助項目(N13－4－XJ02);揚子北緣新元古代花山群火山－沉積序列及其構造屬性研究資助項目(41402103)

作者簡介:熊小輝(1987—)，男，江西高安人，博士。E－mail:xiongxiaohui1987@163．com。通訊作者:王劍(1962—)，男，研究員，博士生導師。E－mail:w1962jian@163．com

Sedimentary environment evolution and shale gas geological features of dark mudstone from Nanmingshui Fm of Fuyun Basin，Xinjiang

XIONG Xiao-hui1，2，WANG Jian1，2，XIONG Guo-qing1，2，YU Qian1，2，LU Jun-ze1，2，ZHOU Ji-bing3，BAI Hong-hai3，DENG Qi1，2
(1．Chengdu Institute of Geology and Mineral Resources，Chengdu610083，China;2．Key Laboratory of Sedimentary Basin and Oil and Gas Resources，Ministry of Land and Resources PRC，Chengdu610083，China;3．The Ninth Geological Team of Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources，Urumuqi 830009，China)

Abstract:To understand the sedimentary environment evolution，shale gas prospect and their relationship of Nanmingshui Fm dark mudstone from Shaerbulake Region，Fuyun Basin，the analysis on inorganic，organic geochemistry and mineralogy were performed．It shows that，influenced by large rivers import，water desalination occurred during the sedimentation．Water openness decreased later，and the salinity re-increased gradually．It was warm and moist generally，then became warmer and drier in middle-late stage during Nanmingshui Fm sedimentation．There was a deep-shallowdeep change in water depth upward Nnmingshui Fm．Reducing condition occurred during dark mudstone sedimenta-tion，but it weakened upward Nanmingshui Fm．The organic matter is dominated by typeⅢwith a few type II2，and its evolution is in a high-over maturation．The second member of Nanmingshui Fm bears highest biological production and total organic matter(TOC:0．42%－1．11%)．Mineral composition is dominated by clay and quartz，especially in the dark mudstone from the second member(clay:32%－49%;quartz:33%－41%;illite in clay:61%－77%)，which have good factors for shale gas development．The study shows that brackish water with salinity lean to salt water，lack of large river import，stable sedimentary environment etc．are more beneficial to the development of gas-producing shale．

Key words:shale gas;sedimentary environment;geochemistry;Nanmingshui Fm;Fuyun Basin